袁小春，邵小平，鄭繼銳

(1.神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦，陜西 神木 719315；2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

淺埋煤層開采一般會(huì)面臨頂板、水和潰沙等災(zāi)害防治問(wèn)題[1]，開采近距離煤層群下層煤綜采工作面常需要過(guò)上層煤采空區(qū)集中煤柱等特殊危險(xiǎn)段[2-5]，在該區(qū)段易發(fā)生壓架事故，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。以神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦22208綜采工作面為研究對(duì)象，該工作面同時(shí)存在薄基巖富水區(qū)和上覆采空區(qū)等多方面災(zāi)害影響。因此對(duì)22208綜采工作面進(jìn)行全面礦壓觀測(cè)、分析、總結(jié)綜采工作面在不同時(shí)期和條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 工作面基本情況

1.1 工作面概況

22208綜采工作面位于2-2煤二盤區(qū)，面長(zhǎng)245.2 m，推進(jìn)長(zhǎng)度4 352.3 m。東北相鄰22518備采工作面，西南為已回采完畢的22207綜采面采空區(qū)，東南為2-2煤中央輔運(yùn)大巷。22208綜采面采用綜采一次采全高傾斜長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。工作面回采范圍內(nèi)煤厚3.4～6.12 m，平均煤厚5.5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定型煤層，設(shè)計(jì)采高5.3 m。

1.2 工作面水文地質(zhì)情況

22208綜采工作面上覆基巖厚度23.95～95 m，松散層厚度0～55 m，松散含水層厚度約5～10 m，埋深72～80 m。

22208綜采面距切眼524～940 m范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)地表為三元溝南溝，溝內(nèi)無(wú)明流，過(guò)溝段上覆基巖厚度23.95～46 m，松散層厚度0～15 m，現(xiàn)含水層厚度5.72 m。

22208綜采面距切眼965.8～1 131.3 m區(qū)域上覆為1-2煤巷道集中煤柱；距切眼1 131.3～1 892.5 m區(qū)域上覆為12103采空區(qū)；距切眼1 892.5～2 329.8 m區(qū)域上覆為1-2上101面采空區(qū)；距切眼965.8～2 155.8 m區(qū)域上覆為12103及12102順槽煤柱?；夭蓞^(qū)域2-2煤與1-2煤層間距18～28.5 m，2-2煤與1-2上煤層間距30～38.4 m，過(guò)煤柱及采空區(qū)期間存在冒頂、壓架、采空區(qū)積水與有害氣體涌出異常等隱患。

22208綜采面最大涌水量為203 m3/h，正常涌水量100 m3/h。

1.3 工作面設(shè)備配套情況

工作面配套144臺(tái)鄭煤ZY10800/28/63[10 800 kN]二柱掩護(hù)式液壓支架，架寬1.75 m，立柱安全閥卸載壓強(qiáng)為43 MPa，配套德國(guó)EKF采煤機(jī)，裝機(jī)功率2 390 kW，滾筒直徑3.2 m，德國(guó)DBT 3×1 000的刮板輸送機(jī)及配套的700 kW/3 300 V轉(zhuǎn)載機(jī)、522 kW/3 300 V破碎機(jī)各1臺(tái)。

2 不同時(shí)期與不同條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 老頂初次來(lái)壓

22208綜采面切眼施工了高壓水預(yù)裂，直接頂垮落步距13 m，老頂初次來(lái)壓步距38.5 m，水預(yù)裂效果較好。表1為22208綜采面初采期間礦壓特征表(0～50 m)。

表1 22208綜采面初采期間礦壓特征表

初采推進(jìn)至13 m：直接頂基本垮落，除1#～10#、20#～30#、141#～144#架未垮之外，其余架后基本垮落。工作面45#～102#支架壓力普遍為30～35 MPa，其余區(qū)域支架壓力均不足30 MPa。

工作面推進(jìn)至30 m：老頂初次來(lái)壓持續(xù)4刀，1#～5#架未垮實(shí)，其余架后垮實(shí)。采空區(qū)老頂垮落產(chǎn)生颶風(fēng)，并伴有耳鼓，工作面來(lái)壓段支架立柱安全閥基本全部開啟，由于初采采高4.5 m，留有約1 m頂煤，所有工作面頂板未出現(xiàn)明顯切頂漏矸現(xiàn)象，工作面30#～125#支架壓力普遍為40 MPa以上，峰值壓力達(dá)到50.3 MPa，地表對(duì)應(yīng)22208回順向工作面77 m范圍出現(xiàn)塌陷裂縫。因此該面老頂初次來(lái)壓步距為38.5 m。

老頂初次來(lái)壓分析：該工作面與類似條件綜采面對(duì)比，老頂初次來(lái)壓步距縮短了約20 m，峰值壓力也小了約3～4 MPa。分析認(rèn)為，主要是高壓水預(yù)裂起到了積極作用，因?yàn)樵擃A(yù)裂方式與傳統(tǒng)的切眼深孔爆破預(yù)裂方式有本質(zhì)的區(qū)別，原來(lái)的深孔爆破預(yù)裂只是對(duì)切眼上方的頂板進(jìn)行預(yù)裂，而高壓水預(yù)裂是在切眼沿工作面推進(jìn)方向斜向上鉆孔進(jìn)行預(yù)裂，即在回采前初采區(qū)域內(nèi)的上覆基巖完整性已被預(yù)裂破壞，因此在后期回采過(guò)程中，隨工作面的推進(jìn)，老頂失穩(wěn)較快，最終使得初采來(lái)壓步距和峰值壓力變小。

2.2 正?；夭傻V壓觀測(cè)

表2為22208綜采面初采期間礦壓特征表(50～100 m)。

觀測(cè)距離50 m：共觀測(cè)到4次周期來(lái)壓，該階段平均來(lái)壓強(qiáng)度33.9 MPa，來(lái)壓最大載荷45 MPa，平均來(lái)壓步距9 m，來(lái)壓平均持續(xù)4刀，該回采區(qū)域受沖刷影響，煤層薄，工作面采高4.7～4.8 m。本階段來(lái)壓步距較為均勻，強(qiáng)度相對(duì)較小，來(lái)壓主要集中在40#～120#架區(qū)域，峰值壓力主要集中在80#～100#架附近。地表回采區(qū)域基本全部塌陷，工作面來(lái)壓期間出現(xiàn)頂板漏矸，漏矸厚度小于500 mm，初采階段煤壁較硬，因此無(wú)明顯片幫，工作面涌水未見(jiàn)增大。

表2 22208綜采面正常回采期間礦壓特征表

100 m的礦壓觀測(cè)：該面長(zhǎng)度為245 m，比臨近已回采完畢的22206和22207面305 m相比，面長(zhǎng)縮短60 m，來(lái)壓步距也相對(duì)變小(上述兩面步距約為12 m)，強(qiáng)度也較小。

2.3 過(guò)三元溝薄基巖富水區(qū)礦壓觀測(cè)(690～740 m)

表3為22208綜采面過(guò)薄基巖富水區(qū)期間礦壓特征表(690～740 m)。

表3 22208綜采面過(guò)薄基巖富水區(qū)期間礦壓特征表

第1次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距11.2 m，來(lái)壓持續(xù)5刀，壓力平均值35.7 MPa，峰值45 MPa，該區(qū)域上覆基巖30 m左右，來(lái)壓主要集中在50#～120#架，頂板漏矸，安全閥開啟率21%。

第2次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距10.4 m，來(lái)壓持續(xù)6刀，壓力平均值36.3 MPa，峰值45.6 MPa，煤壁較硬未出現(xiàn)明顯片幫跡象，頂板漏矸，安全閥開啟率18%，立柱未見(jiàn)明顯下沉，該段開始進(jìn)溝。

第3次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距12 m，來(lái)壓持續(xù)4刀，壓力平均值34 MPa，峰值43.8 MPa，該段進(jìn)入溝底段基巖厚度最薄24 m，此次來(lái)壓強(qiáng)度較小，來(lái)壓持續(xù)時(shí)間短，來(lái)壓不強(qiáng)烈，漏矸不明顯，無(wú)片幫，安全閥開啟率14%，工作面小范圍出現(xiàn)淋水等現(xiàn)象，未見(jiàn)其他異常。

第4次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距12 m，來(lái)壓持續(xù)6刀，壓力平均值35 MPa，峰值45.6 MPa，此次來(lái)壓范圍廣強(qiáng)度不大，來(lái)壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，30#～110#架基本均來(lái)壓，該段來(lái)壓呈現(xiàn)機(jī)尾和機(jī)頭分段來(lái)壓，且機(jī)尾段來(lái)壓相對(duì)強(qiáng)烈，未見(jiàn)流沙、淋水等現(xiàn)象。

小結(jié)：通過(guò)本次礦壓觀測(cè)，工作面煤壁較硬，片幫不嚴(yán)重，有明顯漏矸現(xiàn)象，來(lái)壓主要集中在50#～120#架附近，進(jìn)溝壓力未見(jiàn)明顯增大，工作面已推采700 m以上，但煤壁仍較硬，片幫不明顯，反而頂板條件較差，來(lái)壓極易冒落；過(guò)溝期間未見(jiàn)涌水或淋水增大，未見(jiàn)架后流沙，說(shuō)明之前疏放水的效果很好。

2.4 過(guò)薄基巖富水區(qū)礦壓觀測(cè)(740～790 m)

表4為22208綜采面過(guò)薄基巖富水區(qū)期間礦壓特征表(740～790 m)。

表4 22208綜采面過(guò)薄基巖富水區(qū)期間礦壓特征表

第1次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距8 m，來(lái)壓持續(xù)4刀，壓力平均值35.4 MPa，峰值45.6 MPa，該區(qū)域上覆基巖24 m左右，來(lái)壓主要集中在30#～120#架，頂板漏矸，安全閥開啟率25%，來(lái)壓較為強(qiáng)烈。

第2次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距9 m，來(lái)壓持續(xù)7刀，壓力平均值38 MPa，峰值46.2 MPa，該段出溝對(duì)應(yīng)地表為山梁且基巖逐漸變厚，此次來(lái)壓強(qiáng)度大，來(lái)壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，安全閥開啟率29%，工作面小范圍出現(xiàn)淋水等現(xiàn)象，未見(jiàn)其他異常。

第3次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距11.2 m，來(lái)壓持續(xù)3刀，壓力平均值34 MPa，峰值43.2 MPa，煤壁較硬未出現(xiàn)明顯片幫跡象，頂板漏矸嚴(yán)重，安全閥開啟率23%，該段開始出溝。

第4次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距11 m，來(lái)壓持續(xù)5刀，壓力平均值34.1 MPa，峰值43.8 MPa，此次來(lái)壓范圍及強(qiáng)度均不大，來(lái)壓持續(xù)時(shí)間短，未見(jiàn)流沙、淋水等現(xiàn)象。

小結(jié)：通過(guò)本次礦壓觀測(cè)，工作面煤壁較硬，片幫不嚴(yán)重，有明顯的漏矸現(xiàn)象，來(lái)壓主要集中在30#～120#架附近，出溝壓力明顯增大，主要體現(xiàn)在漏矸嚴(yán)重，來(lái)壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，兩順槽超前壓力未見(jiàn)異常，未見(jiàn)明顯涌水或淋水增大的現(xiàn)象，工作面安全出溝。

2.5 過(guò)上覆采空區(qū)及集中煤柱礦壓觀測(cè)(進(jìn)煤柱)

表5為22208綜采面過(guò)上覆集中煤柱期間礦壓特征表。

表5 22208綜采面過(guò)上覆集中煤柱期間礦壓特征表

第1次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距17.6 m，來(lái)壓持續(xù)3刀，壓力平均值33.7 MPa，峰值47.4 MPa，來(lái)壓主要集中在35#～105#架，頂板漏矸，未見(jiàn)明顯片幫，安全閥開啟率9%，開始進(jìn)入上覆煤柱。

第2次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距14 m，來(lái)壓持續(xù)6刀，壓力平均值35.8 MPa，峰值46.2 MPa，煤壁較硬未出現(xiàn)明顯片幫跡象，頂板漏矸，安全閥開啟率12%，立柱未見(jiàn)明顯下沉。

第3次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距16 m，來(lái)壓持續(xù)3刀，壓力平均值33.8 MPa，峰值43.8 MPa，來(lái)壓持續(xù)時(shí)間短，來(lái)壓不強(qiáng)烈，漏矸不明顯，無(wú)片幫，安全閥開啟率12%，未見(jiàn)其他異常。

小結(jié)：通過(guò)本次礦壓觀測(cè)，工作面煤壁較硬，片幫不嚴(yán)重，有明顯漏矸現(xiàn)象，來(lái)壓主要集中在35#～115#架附近，工作面長(zhǎng)度245 m，比臨近工作面22207短60 m，工作面周期來(lái)壓步距比臨近面要長(zhǎng)4 m左右，且來(lái)壓強(qiáng)度小，上覆煤柱對(duì)工作面的影響不大。

2.6 過(guò)采空區(qū)及架中煤柱礦壓(出煤柱)

表6為22208綜采面過(guò)上覆集中煤柱期間礦壓特征表。

第1次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距12 m，來(lái)壓持續(xù)6刀，壓力平均值38.6 MPa，峰值47.8 MPa，來(lái)壓主要集中在40#～115#架，頂板漏矸，未見(jiàn)明顯片幫，安全閥開啟率48%，來(lái)壓強(qiáng)度較為強(qiáng)烈，峰值壓力大，安全閥普遍開啟。

第2次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距12.8 m，來(lái)壓持續(xù)5刀，壓力平均值38 MPa，峰值44.4 MPa，煤壁較硬未出現(xiàn)明顯片幫跡象，頂板漏矸，安全閥開啟率41%，立柱未見(jiàn)明顯下沉。

表6 22208綜采面過(guò)上覆集中煤柱期間礦壓特征表

第3次周期來(lái)壓：來(lái)壓步距18.4 m，來(lái)壓持續(xù)7刀，壓力平均值38.2 MPa，峰值49.8 MPa，來(lái)壓強(qiáng)裂且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，漏矸明顯，有炸幫現(xiàn)象，安全閥開啟率51%，出煤柱來(lái)壓強(qiáng)烈，立柱最大下沉量10 cm。

出煤柱情況：2017年9月13日早班，上一周期壓力過(guò)去14刀后工作面30#～90#架段來(lái)壓，峰值壓力在87#架50 MPa，此時(shí)機(jī)尾已經(jīng)出煤柱4 m，機(jī)頭剩余1 m出煤柱，55#架(12103集中煤柱對(duì)應(yīng)為55#-機(jī)尾)出煤柱1 m，壓力持續(xù)6刀，立柱有少量下沉。

小結(jié)：通過(guò)本次礦壓觀測(cè)，22208面出上覆集中煤柱期間壓力相對(duì)22207面要小很多，未出現(xiàn)動(dòng)載礦壓壓架事故，分析原因，一方面22208面比22207面短60 m，推進(jìn)速度快，平均一天比22207多推進(jìn)3.5 m；另一方面22208面與22207面為同一個(gè)集中煤柱，在回采22207集中煤柱壓力釋放，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的動(dòng)載礦壓，使得22208面上覆區(qū)域的集中煤柱多出一個(gè)壓力釋放的自由面，壓力得到一定的釋放；另外22208面55#架至機(jī)尾為上覆煤柱影響區(qū)域，而非22207全工作面受集中煤柱影響，綜上分析，22208面出煤柱期間壓力雖然比正常周期來(lái)壓大，但未出現(xiàn)明顯動(dòng)態(tài)礦壓顯現(xiàn)，且工作面煤壁較硬，片幫也不嚴(yán)重，使得工作面安全順利通過(guò)上覆集中煤柱影響區(qū)域。

2.7 末采礦壓觀測(cè)(距貫通200～150 m)

表7為22208綜采面末采礦壓特征表距貫通200～150 m)。

根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果分析，①平均周期來(lái)壓步距10 m，來(lái)壓平均持續(xù)5刀，來(lái)壓峰值42.3 MPa，平均動(dòng)載系數(shù)1.2；②礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)出大小來(lái)壓周期特征，來(lái)壓步距最大11.2 m，最小7.2 m，大周期時(shí)來(lái)壓強(qiáng)度相對(duì)較大，范圍較廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；③周期來(lái)壓期間，工作面中部切頂漏矸，需拉超前架護(hù)頂，最大切頂高度約0.6 m，片幫最大深度0.5 m，高度3 m，炸幫嚴(yán)重；④來(lái)壓期間峰值壓力附近支架立柱安全閥開啟，開啟率26%～31%，未見(jiàn)明顯頂板下沉；⑤兩順槽超前壓力顯現(xiàn)主要體現(xiàn)在片幫嚴(yán)重，深度可達(dá)0.5 m，局部形成全斷面片幫，運(yùn)順漿皮脫落嚴(yán)重，小范圍頂板鱗皮，但未見(jiàn)頂板離層儀數(shù)據(jù)明顯變化；⑥來(lái)壓主要集中在50#～110#架范圍，架后直接頂基本可以隨采隨冒，沒(méi)有出現(xiàn)連續(xù)3架以上垮落不實(shí)的現(xiàn)象，來(lái)壓期間架后垮落巖塊較碎小，甚至呈粉末狀。

表7 22208綜采面末采礦壓特征表

2.8 末采礦壓觀測(cè)(距貫通50～0 m)

表8為22208綜采面末采礦壓特征表(距貫通50～0 m)。

表8 22208綜采面末采礦壓特征表

根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果分析，①平均周期來(lái)壓步距10.7 m，來(lái)壓平均持續(xù)約4刀，來(lái)壓峰值48.2 MPa，平均動(dòng)載系數(shù)1.44；②本階段來(lái)壓步距較為一致，平均約10.7 m，其中最大來(lái)壓步距13.6 m，最小10 m，臨近貫通前兩次周期來(lái)壓較為強(qiáng)烈；③本階段礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，進(jìn)入剩余50 m的位置，工作面采高將至4.6～4.7 m，留有0.8 m左右的頂煤，來(lái)壓期間沒(méi)有明顯的漏頂，只是片幫較為嚴(yán)重，最大深度可達(dá)1 m以上，炸幫嚴(yán)重；④距貫通4.5 m時(shí)，由于生產(chǎn)組織的調(diào)整，工作面停產(chǎn)14 h，停機(jī)時(shí)工作面壓力剛過(guò)去，但在停產(chǎn)10 h后，工作面支架立柱壓力值開始增大，除兩端頭30#架以外，其它區(qū)域壓力均在40 MPa以上，生產(chǎn)兩刀煤后，壓力持續(xù)增大，安全閥全部開啟，支架立柱出現(xiàn)緩慢下沉，最大下沉量達(dá)到300 mm，現(xiàn)場(chǎng)采取快速推進(jìn)的方式甩壓，但是炸幫非常嚴(yán)重，剩余2 m時(shí)局部煤壁中間與通道貫通，兩刀煤后壓力過(guò)去，貫通期間工作面基本無(wú)壓，通道垛架壓力普遍在35～40 MPa之間，出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，最大下沉量約100 mm，通道副幫及聯(lián)巷口沒(méi)有明顯片幫，較為完好；⑤類似工作面以往末采期間沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)立柱下沉，此次出現(xiàn)的立柱下沉分析原因主要是停產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，在停產(chǎn)10 h后出現(xiàn)壓力增大的現(xiàn)象，開始割煤后壓力持續(xù)增加，出現(xiàn)立柱下沉，因此今后類似條件工作面，停產(chǎn)時(shí)間最好控制在8 h以內(nèi)，末采采高要比通道高200～300 mm，防止出現(xiàn)立柱下沉影響了貫通質(zhì)量，若不停產(chǎn)則仍按照正常采高貫通。

3 結(jié)語(yǔ)

以神東哈拉溝煤礦22208綜采工作面為研究對(duì)象，分析其在不同地質(zhì)條件下礦山壓力規(guī)律、支架工作阻力、動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)特征。據(jù)分析結(jié)果提出提前高壓水預(yù)裂、疏放水、調(diào)整周期來(lái)壓、合理控制煤機(jī)牽引速度、工作面推進(jìn)速度和采高等技術(shù)措施，預(yù)防了綜采工作面壓架事故，保證礦井安全生產(chǎn)。